船舶LNG双燃料技术应用

天然气最初作为燃料在船上使用源于LNG运输船上LNG货物会不断受热产生货物蒸发气(BOG)，为了对BOG加以利用，在LNG运输船上设置双燃料主锅炉，再驱动蒸汽轮机主推进装置。随着技术的进步，后来出现了双燃料电力推进系统。但这种系统也存在不足，需要对原有发动机进行重新设计并彻底改造，成本高且不能利用原有发动机，为了克服上述缺点，目前采用的双燃料系统在保留原有燃油系统的基础上加装一套燃气系统，将天然气与空气在进气管总管混合后引入发动机气缸，再喷入引燃柴油点燃混合气，仍按原发动机的着火方式进行工作。

在双燃料模式下运行时，该系统以柴油作为引燃燃料，以天然气作为主燃燃料，由电子控制单元ECU综合分析处理转速、温度、油门位置等监控参数之后，精确控制柴油的供油量和天然气的喷射量，使发动机始终工作在最佳状态。同时也可以通过手动控制转换开关，关闭燃气系统，在纯柴油模式下运行，实现柴油-天然气双燃料和纯柴油燃料的相互转换，操作简单方便。

此系统不改变发动机原有结构，主要部件采用外挂式安装，双燃料发动机易于恢复原机工作方式，改装简单、成本低。目前这种方式是内河天然气发动机的首选方式，因为改造完全不影响纯柴油模式运行的性能，所以操作上具有极强的灵活性，便于在船舶上推广使用。

作为现有长江干线运输船舶LNG双燃料动力改造“试验船”，“长迅3号”散货船在总体布置上具有典型的代表性，其主要依据是《气体燃料动力船检验指南》，本文就其双燃料动力改造工程的实施情况及相关建议简介如下：

改造方案

“长迅3号”的改造工程主要是将原船的柴油发动机改为柴油/天然气双燃料发动机，为此增设了中央电控单元（ECU）、天然气喷射器、引燃柴油电控装置（油门执行器）、混合器、发动机监测报警等双燃料控制系统。同时增设了天然气供气系统，并对通风、消防、冷却、电气系统进行了必要的改造。

系统布置

LNG储罐：对于现有船舶的改造，难点和首要任务是确定LNG储气罐的安装位置，应该综合考虑对船舶稳性的影响、防火分隔、危险区域划分及天然气管路敷设的便利性。储气罐布置在开敞甲板上，省去了气罐区域气体探测、通风等布置，是比较经济的做法。本船设置了两只容量为2.98m3的LNG不锈钢罐体，布置在二楼甲板尾部开敞甲板上，并在储气罐面向船首位置设置一道L形A60防火舱壁，并开设一道A60级防火门。

气化撬（气源总成）：水浴式气化器、滤清器、减压器连同必要的防爆电磁、安全阀等组装成气化撬布置在储罐附近。

控制箱总成：ECU、减压器、天然气喷射器、阻火器连同必要的阀件组合在一只密封箱体内，布置在主机附近。

发动机改造：改造主要部件均采用外挂式加装，油门执行器直接安装在燃油泵的尾部；混合器和进气温度及压力传感器安装在增压器后的进气总管上；转速指令传感器加装在柴油机调速拉杆上；气缸盖上加装燃烧室温度传感器；进气总管端部安装防爆膜片；曲轴箱增设一只安全阀。

系统集成：气化撬、控制箱总成可实现整体供货，在船上的安装仅需要用不锈钢管子把罐区内的气化撬和机舱内的控制箱总成连接起来并完成控制、监测系统的电气连接。从气化撬到控制箱总成整个长度上的接头采用全熔透的对焊接头，管路不能穿过起居处所、服务处所和控制站，并且布置在距船舷不少于760mm的位置。机舱内的管路接头100%进行射线探伤。

在出现破罐等重大溢出事故导致LNG流入水中时，水中的对流非常强烈，足以使所涉及范围内的LNG急速蒸发，同时溢出范围将不断扩展，形成可燃的蒸汽云，向周围漂散，遇有火星会将其点燃，除限制单一罐体的容积外，设置足够容积的围堰是避免造成严重后果的一个可行方式。

在实船改造过程中，对于“增强安全型”机舱的主供气管路应采用全熔透的对焊接头，但是系统必备的喷射单元、电磁截止阀、减压阀、压力变送器、阻火器等部件之间的连接不可避免，也就存在漏气的可能。实际操作中将上述装置集中在一只密闭箱体，即上述控制箱总成内，并在其通向开敞处所的透气管上安装可燃气体探测装置，保证了系统具有相当的安全性能。建议指南中增加相应的等效解决措施。

对于指南中要求低温LNG管路应采用颈焊法兰连接，但目前汽车行业采用的主管路双卡套式连接方式已广泛应用，特别是对于小型船舶，LNG管路直径较小，和车辆用LNG管路有相似的工作条件，建议指南对此种连接方式予以借鉴。

安全及监控系统

现阶段船舶多采用以天然气和燃油为燃料的“增强安全型”机器处所。机器处所通过增强通风能力、加强可燃气体探测与报警，在其气体燃料管路上采用全熔透对焊接头等方式，有效防止燃料气体泄漏带来的危险。

实船增设了两组防爆风机，满足每小时对机舱换气30次的能力。机舱通风机与主机实现双燃料模式运行连锁，即当通风机开启至少10分钟以后，发动机才能采用双燃料模式运行，当风机因故关停时，发动机能自动转换为燃油供应。增设了两套相互独立的可燃气体探测装置，能对机舱所有位置有效覆盖并能连续工作，当可燃气体浓度达到10%LEL（可能引起爆炸的最低气体浓度极限点）时，发出听觉和视觉报警，达到20%LEL时，切断通往机舱的气体燃料的供应，发动机自动转换为全部燃油供应。增设了防爆型的火灾探测及报警系统，探测系统动作时，可自动切断通往机舱的气体燃料的供应，机舱照明设备更换为合格防爆型。

水雾系统

实船按要求设置了水雾系统对储气罐区域进行冷却和灭火，但实际上水雾对LNG灭火效果不明显，反而会使LNG从水中吸取热量加速LNG气化成天然气，甚至可能引发快速相变（RPT），俗称“冷爆”现象，进而使损害进一步扩大。建议考虑将水雾系统的作用限于降低环境温度。

人员防护

指南未对人员防护用品的配备有明确要求。LNG的危害主要体现在其低温特性，对人的伤害主要为低温冻伤和低温麻醉。在LNG低温操作或者LNG发生泄漏，人体直接接触时，皮肤表面会粘在低温物体表面上。皮肤及皮肤以下组织冻结，很容易撕裂，并留下伤口。因此建议对船上应配备的个人低温防护装备应有相应的要求。

改造后的实船试验

“长迅3号”改造完成后进行了各工况下的试验性运行，各系统工作正常，达到了预先的设计要求。发动机最大功率和调速性能与改造前相同，纯柴油模式和双燃料模式之间的切换过程平稳，转速波动率小于5%。实船测算表明，改造后具有巨大的经济和环保效益：燃油综合替代率达到70%，燃料成本降低约30%；二氧化碳、硫氧化合物、氮氧化合物排放分别降低26%、72%、21.5%。

内河双燃料动力船还属于新兴事物，各种法规、规范、标准还有一个不断形成和完善的过程。目前，该项目已得到国家海事部门的高度重视，组织了相关行业的专家进行调研并进行安全评估，相信“长迅3号”轮很快就会在长江上正式运营。